DE102006055618A1

DE102006055618A1 - Mobiler elektrostatischer Trägerwafer mit elektrisch isoliertem Ladungsspeicher

Info

Publication number: DE102006055618A1
Application number: DE102006055618A
Authority: DE
Inventors: Dieter Bollmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-25
Also published as: US20080123241A1; US7782593B2; DE102006055618B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trägerwafer mit einem flächigen Substrat mit einer Ober- und einer Unterseite, einer auf der Oberseite des Substrats mit zum Substrat paralleler Fläche angeordneten ersten Schichtfolge mit mindestens einer isolierenden Schicht und mindestens einer, mit zum Substrat paralleler Fläche auf der ersten Schichtfolge angeordneten flächigen, leitfähigen Elektrode, wobei die mindestens eine Elektrode von einer zweiten Schichtfolge mit mindestens einer Schicht aus isolierendem Material überall dort umgeben ist, wo sie nicht mit der ersten Schichtfolge in Kontakt ist. Dieser ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtfolge in einem Bereich, auf welchem die zumindest eine Elektrode angeordnet ist, zumindest ein Tunnelfenster aufweist, und dass an das Substrat eine elektrische Spannung so anlegbar ist, dass die von der angelegten Spannung verursachten elektrischen Feldlinien das zumindest eine Tunnelfenster durchstoßen, und dass die Elektrode durch eine von der angelegten Spannung verursachte Potentialdifferenz zwischen Elektrode und Substrat dadurch aufladbar ist, dass Elektronen durch das mindestens eine Tunnelfenster hindurch tunneln.

Description

Die Erfindung betrifft einen Trägerwafer für dünne und ultradünne Halbleiterbauelemente, welcher die zu tragenden Elemente durch elektrostatische Anziehung hält. Der Trägerwafer weist hierbei eine vollständig isolierte Elektrode auf, welche dadurch elektrostatisch aufladbar ist, das bei Anlegen einer Spannung Elektronen in die Elektrode tunneln.
Dünne Halbleiterbauelemente haben seit einigen Jahren eine weite Verbreitung in der Welt der Mikroelektronik gefunden. Bekanntes Beispiel hierfür sind integrierte Schaltkreise für Chipkarten, bei denen die Dicke der Silizium-Bauelemente heute etwa 150 μm beträgt. Um Material einzusparen, werden auch bei der Herstellung von Solarzellen immer dünnere Wafer benutzt. Darüber hinaus stellen die Leistungshalbleiter mit Chipdicken von ca. 100 μm ein wichtiges Marktseg ment dar. Auch in der Polymerelektronik werden elektronische Bauelemente aus organischen Halbleitern auf dünnen Kunststofffolien hergestellt, z.B. organische LED.
Hieraus erwächst die Notwendigkeit, Handhabungstechniken zu entwickeln, welche die Handhabung und Bearbeitung solch dünner Halbleiterbauelemente ermöglicht.
Einkristallines Silizium ist ein sprödes Material, das bei geringen mechanischen Belastungen leicht bricht. Diese Gefahr des Waferbruchs stellt derzeit das größte technische Problem bei der Herstellung und Bearbeitung von ultradünnen Halbleitern dar. Zudem verlieren ultradünne Wafer ihre gewohnte Stabilität und biegen sich bereits durch ihr eigenes Gewicht und Massenträgheit um mehrere Millimeter durch. Damit sind normale Handler, welche die Wafer aus einer Horde entnehmen und diversen Bearbeitungsstationen zuführen, nicht mehr verwendbar. Auch die scharfkantigen Ränder der dünn geschliffenen Wafer führen zu Problemen beim Transport. Das häufige Nachjustieren der Handler auf die jeweilige Verformung der Wafer bei gegebener Dicke und Schichtaufbau ist unwirtschaftlich und fehlerträchtig.
Bekannt ist die Handhabung von dünnen Wafern oder Chips durch Aufkleben auf eine Trägerplatte. Der wesentliche Schritt ist hierbei die Unterstützung des dünnen Nutzwafers durch einen normal dicken Trägerwafer. Die Verbindung der beiden Wafer erfolgt dabei durch Wachs, einen thermoplastischen Klebstoff oder eine beidseitig klebende Folie, die sich durch Temperatureinwirkung oder Bestrahlung mit UV-Licht wieder ablösen lässt. Für viele Bearbeitungsgeräte wie Grin der, Spinätzer oder Messgeräte wird diese Folie erfolgreich angewendet. Wenn jedoch bei Plasmaanlagen, Öfen oder Schichtabscheidungen die Bearbeitungstemperatur höher als etwa 150°C wird, kann die Folie zerstört werden und ihre Klebefunktion verlieren. Weil jeder Kleber empfindlich auf gewisse Chemikalien reagiert, kann eine solche Klebung in Bädern mit Lösungsmitteln, Säuren oder ähnlichem nicht verwendet werden. Nach erfolgter Bearbeitung und Ablösung des Nutzwafers werden manchmal Rückstände der Klebeschicht auf der Oberfläche des Nutzwafers beobachtet, was zu einer unerwünschten Kontamination der Anlagen führt.
In den Patentanmeldungen DE 102 38 601 und DE 102 32 914.1 wird ein perforierter Trägerwafer beschrieben, der mit einem anfangs flüssigen Kleber arbeitet. Nach der Bearbeitung wird der Nutzwafer durch ein Lösungsmittel, das durch die Poren des Trägerwafers dringt, abgelöst. Auch hier treten die erwähnten Probleme der begrenzten Temperaturverträglichkeit, der begrenzten Beständigkeit gegen Chemikalien und der möglichen Kontamination auf.
In Plasmaanlagen ist seit langem das Prinzip des elektrostatischen Chucks bekannt: Nach dem Ablegen des zu bearbeitenden Wafers auf dem elektrostatischen Chuck wird in der Vakuumkammer des Reaktors nach dem Einregeln der Gasflüsse zunächst der gewünschte Kammerdruck eingestellt. Dann wird mit Hilfe eines meist hochfrequenten Wechselspannungsfeldes das Plasma gezündet und der entsprechende Ätz- oder Depositionsschritt eingeleitet. Gleichzeitig wird über eine eigene Hochspannungsversorgung eine Gleichspannung zwischen der Anode des Reaktors und der Rückseite des elektrostatischen Chucks angelegt. Das daraus resul tierende elektrische Feld zwischen der Waferrückseite und der Isolationsschicht des Chucks hält den Wafer fest und erlaubt u.a. eine rückseitige Kühlung des Wafers durch Anströmen kleiner Mengen von He-Gas. Üblicherweise besteht die Isolationsschicht eines elektrostatischen Chucks aus temperaturfesten Kunststoffen oder keramischen Materialien. Kühlkanäle auf der Chuckoberseite sorgen für entsprechende Wärmeableitung auf der Waferrückseite, um die Wafertemperatur möglichst konstant zu halten und die durch Plasmen eingebrachten Wärmemengen abzuleiten.
Damit könnte ein dünner Wafer genauso wie ein normal dicker Wafer gehalten und bearbeitet werden. Der erwähnte elektrostatische Chuck ist jedoch ein fester Bestandteil der Anlage. Vor und nach der Bearbeitung muss der Wafer durch einen Handler entnommen und transportiert werden. Das ist jedoch durch die oben beschriebenen Probleme der elastischen Durchbiegung und die Bruchgefahr bei ultradünnen Wafern nicht mehr möglich.
In WO 02/11184 wird ein mobiler Halter beschrieben, der einen Wafer durch elektrostatische Kraft auf einem Basiselement befestigt. Eine funktionale Schicht erhält hier einen elektrostatisch aktiven Zustand auch ohne äußere Spannungsversorgung. Hier werden jedoch zwei Elektroden auf der gleichen Seite des Halters beschrieben, welche von der Vorderseite im Bereich des Flats kontaktiert werden. Dies entspricht dem bipolaren Prinzip.
Zum Stand der Technik gehört auch die DE 10 2005 008 336 A1 . Hier wird ein Trägerwafer aus dem gleichen Material wie der Nutzwafer beschrieben, der in seinem Durchmesser und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit dem Nutzwafer übereinstimmt und der mit einer solchen Dicke hergestellt ist, dass die Summe der Dicken von Trägerwafer und dünnem Nutzwafer innerhalb der Dickentoleranz für Wafer dieses Durchmessers liegt. Bei dieser Anmeldung handelt es sich um einen unipolaren Trägerwafer, dessen Elektrode aus einheitlichem Material, ohne laterale Strukturierung besteht. Hier bildet der Trägerwafer die eine und der Nutzwafer die zweite Elektrode eines Kondensators.
Bei allen bisher genannten elektrostatischen Trägerwafern sind immer elektrische Kontakte vorhanden, die bei Berührung mit einem leitfähigen Medium wie zum Beispiel Flüssigkeit (beispielsweise Elektrolyt oder Ätzlösung) oder Gas (beispielsweise Plasma) zu einer Entladung der Elektroden und damit zum Nachlassen der Kräfte führen, die den dünnen Wafer auf dem Träger halten. Über längere Zeit und bei höherer Temperatur findet eine Entladung sogar über die Umgebungsluft statt.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen elektrostatischen Trägerwafer anzugeben, in welchem die elektrische Ladung über lange Zeit sicher speicherbar ist. Die Ladungsspeicherung sollte weitgehend unabhängig von den äußeren Bedingungen sein und auch erhalten bleiben, wenn die äußeren Anschlüsse durch berühren mit metallischen Leitern oder beim Eintauchen in einen Elektrolyten oder in ein Plasma kurz geschlossen werden. Trotzdem sollte sich das zu haltende scheibenförmige Bauteil nach der Bearbeitung möglichst bequem und problemlos wieder vom Trägerwafer lösen lassen. Der Trägerwafer sollte außerdem wiederverwendbar und kostengünstig herzustellen sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch, ein Verfahren zum Halten und Lösen eines scheibenförmigen Bauteils mit einem Trägerwafer anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Trägerwafer nach Anspruch 1, die Anordnung nach Anspruch 25 und die Verfahren nach den Ansprüchen 34 und 37. Vorteilhafte Weiterbildungen des Trägerwafers, der Anordnung und der Verfahren werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Der erfindungsgemäße Trägerwafer weist ein flächiges Substrat auf, auf welchem mit paralleler Fläche eine flächige Elektrode aus leitfähigem Material angeordnet ist. Die leitfähige Elektrode ist vollständig von isolierendem Material umgeben. Das isolierende Material kann hierbei in Form einer oder mehrerer dielektrischer Schichten aufgebracht sein. Insbesondere ist die Elektrode gegen das Substrat durch eine erste Schichtfolge mit mindestens einer isolierenden Schicht isoliert. Diese erste Schichtfolge, auch Schichtsystem genannt, weist ein Tunnelfenster auf, in dessen Bereich die Elektrode und Substrat gegeneinander isolierende erste Schichtfolge dünner ist als auf dem Rest ihrer Fläche. Wird nun ein elektrisches Feld so angelegt, dass die Feldlinien das Tunnelfenster durchstoßen, kann die Elektrode aufgeladen werden, indem Elektronen durch das Tunnelfenster hindurch in die Elektrode tunneln. Das elektrische Feld wird durch Anlegen einer Spannung an das Substrat hergestellt.
Wie beschrieben ist die elektrisch aufladbare Elektrode allseits von isolierendem Material umhüllt. Sie ist mit keinem anderen Leiter leitfähig verbunden. Der Ladungszustand, also das Potential dieser Elektrode, ist daher anfangs nicht definiert (floating).
Durch die allseitige Isolation wird sichergestellt, dass der Ladungszustand der Elektrode für lange Zeit erhalten bleibt. Der Leckstrom durch die Isolation kann bei geeigneter Herstellung der Isolation sehr gering sein.
Am Tunnelfenster ist das isolierende Material jedoch so dünn gestaltet, dass bei einer ausreichenden Potentialdifferenz zwischen Elektrode und Substrat Elektronen hindurchtunneln können. Der von der Oxiddicke d, der Fläche F des Tunnelfensters, zwei Materialkonstanten const₁ und const₂, welche von der Barrierehöhe der zu durchtunnelnden Schicht und der effektiven Elektronenmasse im zu durchtunnelnden Material abhängen, sowie der Potentialdifferenz U bestimmte Tunnelstrom I_FN wird gemäß der Quantenmechanik durch das „Fowler-Nordheim Tunneln" beschrieben: IFN = const1·F·(U/d)2·exp(– const2/(U/d)).
Die typische Oxiddicke im Tunnelfenster liegt vorzugsweise zwischen 10 und 100 nm für typische Potentialdifferenzen von 100 bis 1000 V. Die Fläche des Tunnelfensters ist mit einigen μm im Quadrat sehr klein gegenüber der Fläche der Elektrode mit rund (100 mm)². Weil das Dielektrikum mit typisch 1000 nm (= 1 μm) vorzugsweise wesentlich dicker ist, fließt hier normalerweise praktisch kein Tunnelstrom.
Die für den Tunnelvorgang notwendige Potentialdifferenz (typischerweise bei elektrischen Feldern von 6 MV/cm) kann durch kapazitive Kopplung eingestellt werden. Der zu haltende Wafer, das obere Dielektrikum, die floatende Elektrode, das untere Dielektrikum und das Substrat bilden eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren mit Kapazitäten C₁ und C₂.
Durch geeignete Kombination der Flächen von Tunnelfenster und Elektrode und der Dicke der Isolationen im Tunnelfenster und zwischen Elektrode und zu haltendem Wafer können die beiden Kapazitäten C₁ und C₂ eingestellt werden. Günstig ist eine Kombination von etwa gleich großen Kapazitäten C₁= C₂. Dann wird sich bei einer zwischen Substrat und zu haltendem Wafer angelegten Spannung an der floatenden Elektrode das halbe Potential einstellen.
Das Tunnelfenster ist leitfähig, solange die Potentialdifferenz groß genug für einen Tunnelstrom ist und isolierend, solange die Potentialdifferenz klein ist. Die exp-Funktion in der Formel sorgt für sehr große Unterschiede zwischen den beiden Zuständen „leitfähig" und „isolierend". Der Tunnelstrom fließt also grob gesagt so lange, bis sich das Potential fast eingestellt hat.
Gemäß der Theorie ist der Tunneleffekt nicht von der Temperatur abhängig. Eine unerwünschte Entladung der Elektrode kann also anders als bei den üblichen thermisch aktivierten Leckstrompfaden (getrappte Ladung, Luft, Heißleiter) auch bei hoher Temperatur praktisch nicht auftreten.
Die Handhabung eines zu haltenden scheibenförmigen Bauteils, wie zum Beispiel einer Folie, eines zu bearbeitenden Nutzwafers, eines oder mehrer Halbleiterbauteile, eines oder mehrerer Chips oder eines oder mehrerer Bauelemente, kann mit dem erfindungsgemäßen Trägerwafer nun auf die folgende Weise geschehen. Dabei wird in Folgenden als scheibenförmiges Bauteil beispielhaft ein Wafer betrachtet.
Auf den nicht geladenen elektrostatischen Trägerwafer wird ein zu haltender Wafer aufgelegt. Zwischen dem Substratkontakt und dem zu haltenden Wafer wird mit einer Ladevorrichtung eine hohe Spannung (HV) angelegt. Damit fließt ein Tunnelstrom vom Substrat in die floatende Elektrode. Nach dem Ladevorgang wird die Ladevorrichtung entfernt.
Um den dünnen Wafer sicher auf dem Trägerwafer halten zu können muss die Elektrode auf einem Potential von 100 V bis 1000 V gegenüber der Umgebung liegen. Um den Tunnelstrom zum Aufladen der Elektrode zu aktivieren, ist eine etwa doppelt so hohe Spannung anzulegen.
Nach diesem Ladevorgang mit vorübergehend angelegter Spannung sind die elektrischen Ladungen dauerhaft in der Elektrode gespeichert. Der Wafer wird nun mit elektrostatischen Kräften sicher gehalten und kann bearbeitet, transportiert und gelagert werden. Eine ungewollte Entladung ist ausgeschlossen, solange die elektrischen Felder während der Bearbeitung oder gegebenenfalls in einem Plasma kleiner sind als die Schwelle für den Tunneleffekt.
Nach der Bearbeitung wird der Wafer wieder vom Trägerwafer gelöst, indem zwischen Substratkontakt und zu haltenden Wafer eine entgegengesetzt gepolte hohe Spannung angelegt wird. Diese Spannung wird geeignet gewählt, um gerade nur eine Entladung der floatenden Elektrode zu erreichen und nicht etwa wieder eine gegensinnige Aufladung.
Der zu haltende Wafer kann nun fast kräftefrei vom Trägerwafer abgenommen werden.
Der durch das Tunnelfenster fließende Strom kann durch Einstrahlen von ultraviolettem Licht erhöht werden. Dieser Effekt kann unterstützend genutzt werden, um die Aufladung oder Entladung der Elektrode zu beschleunigen.
Das Lösen des Wafers vom Trägerwafer kann ausschließlich durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht geschehen oder durch Anlegen einer Spannung bei gleichzeitiger UV-Beleuchtung. Durch die Anregung mit energiereichem Licht werden die Elektroden dann durch den Isolator hindurch entladen.
Bei der Aufladung kann der Effekt eingesetzt werden, indem gleichzeitig eine Spannung angelegt wird und das Tunnelfenster mit UV-Licht bestrahlt wird.
Während der Zeit des Haltens eines Bauteils muss jedoch verhindert werden, dass UV-Licht auf das Tunnelfenster trifft, um eine unerwünschte Entladung zu vermeiden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Elektrode oder die Beschichtung dick genug gestaltet wird, um ungewollt einfallendes ultraviolettes Licht, wie zum Beispiel das der Sonne oder einer Leuchtstofflampe, abzuschatten.
Vorteilhafterweise ist am Substrat ein elektrischer Kontakt angebracht, welcher zum Anlegen der Spannung dient. Der Kontakt kann eine eventuell vorhandene Isolationsschicht, welche das Substrat ganz oder teilweise umgeben kann, durchstoßen oder in einem Bereich des Substrats angeordnet sein, in welchem keine Isolationsschicht angeordnet ist.
Der Kontakt kann an der Seite, das heißt zwischen Ober- und Unterseite des Substrates, angeordnet sein oder auf der Rückseite (Unterseite) des Substrats.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgemäßen Trägerwafers kann die Fläche der Elektrode kleiner sein als die Fläche des Substrats. In diesem Fall ist es möglich, den elektrischen Kontakt zum Substrat auf der der Elektrode zugewandten Oberseite des Substrats anzubringen. Im Falle eines 6-Zoll Wafers bietet sich der vom Flat nicht bedeckte Kreisabschnitt als Ort des Kontaktes an.
Vorteilhafterweise besteht das Substrat aus einem Halbleiter wie Silizium und ist in einem Bereich dotiert, welcher sowohl an das Tunnelfenster als auch an den elektrischen Kontakt grenzt. Auf diese Weise wird die Leitfähigkeit zwischen dem Kontakt und dem Tunnelfenster erhöht.
Das Substrat kann auch aus einem isolierenden Material wie Glas, Quarz, Keramik oder Kunststoff bestehen. Dann ist es erforderlich, unter der floatenden Elektrode einen leitfähigen Bereich zu erzeugen, der zumindest den elektrischen Kontakt und das Tunnelfenster elektrisch leitend miteinander verbindet. Hierfür kommen beispielsweise Metallschichten oder auch ITO (Indium-Tin-Oxide) infrage.
Im Folgenden wird nun beschrieben, wie der erfindungsgemäße Trägerwafer mittels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hergestellt werden kann. Zunächst wird in einem ersten Schritt das Substrat von einem Dielektrikum zur elektrischen Isolation, eine erste Isolationsschicht bildend, umhüllt. Um mit den üblichen Bearbeitungsgeräten in der Halbleiterindustrie kompatibel zu sein, wird das Substrat bevorzugt aus Silizium hergestellt. Als Substratmaterial kann aber auch Glas, Quarz oder Keramik verwendet werden. Darüberhinaus können auch andere Halbleiter materialien wie Germanium oder Galliumarsenid oder andere III/V Halbleiter verwendet werden. Im Falle der Verwendung von Silizium für das Substrat ist das Dielektrikum bevorzugt Siliziumdioxid, am besten in der Form von thermischem Oxid welches durch thermische Oxidation der Substratoberfläche erzeugt wird. Es kann aber auch ein abgeschiedenes CVD-Oxid oder Siliziumnitrid verwendet werden.
An einer bestimmten Stelle auf der Oberseite des vom Dielektrikum umhüllten Substrats wird in einem zweien Schritt, vorzugsweise durch Fotolithographie und Ätzen, die erste Isolationsschichtfolge dünn gestaltet, also ein Tunnelfenster im Dielektrikum geöffnet. Durch erneute, kürzere thermische Oxidation des Siliziumwafers bzw. des Substrats wird ein dünnes Tunneloxid gewachsen, welches dann das Tunnelfenster bildet. Auch für dieses dünne Tunneloxid ist Siliziumdioxid besonders geeignet. Für den Fall, dass das Substrat aus einem anderen Material hergestellt wird, muss das Tunnelfenster durch Abscheidung wieder isoliert werden. Das Tunnelfenster wird so dünn gestaltet, dass Elektronen bei Anlegen einer Spannung, welche ein das Tunnelfenster durchstoßendes elektrisches Feld verursacht, die erste Isolationsschichtfolge an diesem Tunnelfenster durchtunneln.
Die auf dem Substrat und dem Tunnelfenster angeordnete floatende Elektrode wird in einem dritten Schritt durch Abscheidung von Polysilizium oder amorphen Silizium und anschließende Fotolithographie und Ätzung erzeugt. Es können aber auch dünne metallische Schichten wie zum Beispiel Wolfram, Titan, Titan-Nitrid (TiN) oder ähnliche Schichten, welche elektrisch leitfähig sind, aufgetragen werden.
Nach der ganzflächigen Abscheidung wird die Form der Elektrode durch Photolithographie und anschließendes Ätzen strukturiert.
Anschließend wird in einem vierten Schritt das Substrat mit der darauf angeordneten Elektrode mit einem Dielektrikum so umhüllt, dass die Elektrode vollständig bedeckt ist und das Substrat ganz oder teilweise bedeckt ist. Die Elektrode ist dann vollständig isoliert. Bevorzugt wird das Dielektrikum ein CVD-Oxid sein. Es kann aber auch ein anderes Oxid oder ein anderer Isolator verwendet werden, oder eine Schichtfolge aus Oxid/Nitrid/Oxid (ONO).
Es wird nun noch ein von außen zugänglicher Kontakt zum Substrat hergestellt. Dieser Kontakt kann auf der der Elektrode zugewandten Seite des Substrates (Oberseite) in einem Bereich angeordnet werden, welcher von der Elektrode nicht bedeckt wird. Alternativ kann der Kontakt aber auch an der Seite des Substrats zwischen seiner Ober- und seiner der Elektrode abgewandten Unterseite angeordnet werden oder aber auf der Unterseite (Rückseite) des Substrats. Zur Herstellung des Kontaktes wird, sofern der Kontakt in einem eine Isolationsschicht aufweisenden Bereich angeordnet wird, zunächst eine Öffnung in der das Substrat umgebenen Isolationsschichtfolge erzeugt. Dies kann beispielsweise durch Fotolithografie und Ätzen geschehen. Anschließend wird in der Öffnung bzw. an der für den Kontakt vorgesehenen Stelle durch Abscheidung eines Metalls, beispielsweise Aluminium, ein von außen zugänglicher Kontakt zum Substrat hergestellt. Wird der Kontakt auf der Rückseite des Substrats untergebracht, so wird vorzugsweise die gesamte Rückseite vom Oxid befreit und metallisiert.
Vorzugsweise kann in einem Bereich des Substrats, welcher an das Tunnelfenster und den Kontakt grenzt, vor dem Umhüllen mit einem Dielektrikum im ersten Schritt durch Implantation oder Diffusion von geeigneten Dotierstoffen eine Dotierung eingebracht werden, um die elektrische Leitfähigkeit des Substrats zwischen Kontakt und Tunnelfenster zu verbessern.
Im Folgenden soll der erfindungsgemäße Trägerwafer anhand einiger Beispiele erläutert werden. Es zeigt
1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Trägerwafer und einem zu haltenden Wafer,
2 eine erfindungsgemäße Anordnung, deren Trägerwafer im Bereich zwischen Kontakt und Tunnelfenster dotiert ist, und
3 ein Ersatzschaltbild für die erfindungsgemäße Anordnung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem Trägerwafer und einem zu haltenden Bauelement 6. Ein Substrat 1 ist von einer ersten Isolationsschichtfolge 2 umgeben. An einer Stelle auf der Oberseite des Substrats 1 ist die Isolationsschicht 2 dünner gestaltet so dass sie ein Tunnelfenster 5 bildet. Auf der Oberseite der Isolationsschichtfolge 2 auf dem Tunnelfenster 5 ist eine floatende Elektrode 3 angeordnet, welche zumindest überall dort, wo sie nicht mit der Isolationsschicht 2 in Berührung ist, von einer zweiten isolierenden Schichtfolge 4 umgeben ist. Auf der dem Substrat 1 abgewandten Seite der Elektrode 3 ist auf der zweiten Schichtfolge 4 ein zu haltendes Halbleiterbauelement 6 mit zur Elektrode 3 und zum Substrat 1 paralleler Fläche angeordnet.
Der zu haltende Wafer 6 liegt an dem zweiten Schichtsystem 4 an wobei das zweite Schichtsystem 4 die floatende Elektrode 3 gegen das zu haltende Bauteil 6 isoliert. In einem Bereich der Oberseite des Substrats 1, welcher nicht von der Elektrode 3 und der Schichtfolge 4 bedeckt ist, ist ein elektrischer Kontakt 7 angeordnet, welcher einen Kontakt zum Substrat 1 durch die erste Isolationsschichtfolge 2 herstellt.
Das Substrat 1 kann beipsielsweise aus Silizium, Germanium, Galliumarsenid, anderen III/V Halbleitern sowie auch aus Glas, Quarz, Keramik Kunststoff oder Metall hergestellt sein. Für den Fall, das Substrat 1 aus Silizium hergestellt ist, ist das Dielektrikum 2 bevorzugt Siliziumdioxid, beispielsweise in Form eines thermischen Oxids. Die floatende Elektrode 3 kann beispielsweise durch Abscheidung von Polysilizium oder amorphen Silizium hergestellt sein. Es kommen aber auch dünne metallische Schichten wie zum Beispiel Wolfram, Aluminium, Titan, Titan-Nitrid (TiN) oder ähnliche Schichten in Frage, welche elektrisch leitfähig sind. Die zweite Isolationsschichtfolge 4 kann zum Beispiel ein CVD-Oxid sein. Es können aber auch andere Oxide verwendet werden.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Trägerwafer, an welchen eine Spannung HV anlegbar ist. Gleiche Bezugszeichen entsprechen hierbei gleichen Komponenten wie in 1. Die Hochspannung HV wird zwischen dem Kontakt 7 und dem zu haltenden Halbleiterbauteil 6 angelegt. Um die elektrische Leitfähigkeit des Substrats 1 zwischen dem Kontakt 7 und dem Tunnelfenster 5 zu verbessern ist das Substrat in einem Bereich 8, welcher an die Kontaktierung 7 und die dünne Stelle 5 (Tunnelfenster) grenzt, dotiert.
Wenn das Substrat 1 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, dann wird die elektrische Verbindung zwischen dem Kontakt 7 und dem Tunnelfenster 5 durch einen leitfähigen Bereich 8 hergestellt.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild für den erfindungsgemäßen Trägerwafer. Auch hier entsprechen gleiche Bezugszeichen wie in den anderen Figuren den gleichen Komponenten. Es entspricht Abschnitt 6 des Schaltbilds dem zu haltenden Wafer. Das obere Dielektrikum 4 isoliert die floatende Elektrode 3 vom zu haltenden Wafer 6 und stellt daher eine Kapazität C₂ dar. Die erste Isolationsschichtfolge 2 mit dem Tunnelfenster 5 isoliert die Elektrode 3 gegen das Substrat 1 und stellt daher eine Kapazität C₁ dar. Ist die zwischen Substrat 1 und zu haltendem Bauelement 6 angelegte Spannung hinreichend groß, so fällt, so lange die Kapazitäten C₂ 4 und C₁ 2;5 nicht aufgeladen sind, an der Isolationsschicht 2 und dem Tunnelfenster 5 eine hohe Potentialdifferenz ab. Ist nun diese Potentialdifferenz zwischen Substrat 1 und Elektrode 3 hinreichen groß, so können so viele Elektronen durch das Tunnelfenster 5 tunneln, das sich die Elektrode 3 auflädt. In diesem Fall fließt ein Strom durch das Tunnelfenster 5, so dass Elektrode 3 und Substrat 1 nicht mehr vollständig gegeneinander isoliert sind. Dies wird im Ersatzschaltbild durch einen der Kapazität C₁ parallel geschalteten veränderbaren Widerstand 7 dargestellt. Dieser Widerstand 7 stellt also eine vorübergehend leitfähige Verbindung zwischen Substrat 1 und Elektrode 3 dar. Sein Wert hängt von der angelegten Spannung ab.
Die Kapazitäten C₁ und C₂ sind in Reihe geschaltet, daher gilt für die Gesamtkapazität C im gezeigten Schaltbild 1/C = 1/C₁ + 1/C₂.
Die Kapazität des von dem durch die Isolationsschicht 2 und das Tunnelfenster 5 gegeneinander isolierten Substrat 1 und Elektrode 3 gebildeten Kondensators C₁ 2;5 errechnet sich aus den Anteilen der Fläche des Substrats unter der Elektrode A_E und im Tunnelfenster A_T und den Dicken der Oxide unter der Elektrode d_E und im Tunnelfenster d_T als C1 = ε·AE/dE + ε·AT/dT
Die Kapazität des oberen Kondensators C₂4 errechnet sich aus der Fläche A_W des zu haltenden Werfers und der Dicke d_W des Dielektrikums 4 zu C2 = ε·AW/dW.
Günstig ist es, wenn die beiden Kapazitäten C₁ und C₂ ungefähr gleich groß sind. Dann wird sich bei einer zwischen Substrat 1 und zu haltendem Werfer 6 angelegten Spannung an der floatenden Elektrode 3 das halbe Potential einstellen.
Der erfindungsgemäße Trägerwerfer hat folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die Ladung der floatenden Elektrode lässt sich über lange Zeit sicher speichern. Die Speicherung ist unabhängig von äußeren Bedingungen und bleibt auch erhalten, wenn die äußeren Anschlüsse durch Berührung mit metallischen Leitern oder beim Eintauchen in einen Elektrolyten oder in ein Plasma kurzgeschlossen werden. Die gespeicherte Ladung bleibt auch bei hohen Temperaturen erhalten. Trotzdem ist das zu haltende Bauelement nach der Bearbeitung bequem und problemlos vom Trägerhafer wieder zu lösen. Der Trägerwerfer ist wiederverwendbar und kostengünstig herzustellen.

Claims

Trägerwafer mit einem flächigen Substrat mit einer Ober- und einer Unterseite, einer auf der Oberseite des Substrats mit zum Substrat paralleler Fläche angeordneten ersten Schichtfolge mit mindestens einer isolierenden Schicht und mindestens einer, mit zum Substrat paralleler Fläche auf der ersten Schichtfolge angeordneten flächigen, leitfähigen Elektrode, wobei die mindestens eine Elektrode von einer zweiten Schichtfolge mit mindestens einer Schicht aus isolierendem Material überall dort umgeben ist, wo sie nicht mit der ersten Schichtfolge in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtfolge in einem Bereich, auf welchem die zumindest eine Elektrode angeordnet ist, zumindest ein Tunnelfenster aufweist, und dass an das Substrat eine elektrische Spannung so anlegbar ist, dass die von der angelegten Spannung verursachten elektrischen Feldlinien das zumindest eine Tunnelfenster durchstoßen, und dass die Elektrode durch eine von der angelegten Spannung verursachte Potentialdifferenz zwischen Elektrode und Substrat dadurch aufladbar ist, dass Elektronen durch das mindestens eine Tunnelfenster hindurch tunneln.
Trägerwafer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtfolge auf zumindest einem, das zumindest eine Tunnelfenster bildenden, Teil seiner Fläche dünner ist als auf dem Rest seiner Fläche.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtfolge sich zumindest teilweise über die Seite des Substrats zwischen Ober- und Unterseite und/oder die Unterseite des Substrats erstreckt.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Schichtfolge ganz oder teilweise über das Substrat und/oder die auf dem Substrat angeordnete erste Schichtfolge erstreckt.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der mindestens einen Elektrode kleiner ist als die Fläche des Substrats.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Substrat in Kontakt stehender elektrischer Kontakt zumindest eine auf dem Substrat angeordnete Schichtfolge durchstößt oder in einem nicht von der ersten oder zweiten Schichtfolge beschichteten Bereich der Oberfläche des Substrats angeordnet ist.
Trägerwafer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt auf jener der zumindest einen Elektrode zugewandten Seite des Substrats in einem Bereich des Substrats angeordnet ist, der nicht von der mindestens einen Elektrode bedeckt wird.
Trägerwafer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt am Substrat zwischen Ober- und Unterseite des Substrats oder an der Unterseite des Substrats angeordnet ist.
Trägerwafer nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in einem an das zumindest eine Tunnelfenster und den elektrischen Kontakt grenzenden Bereich dotiert ist oder leitfähig ist.
Trägerwafer nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat in einem an das zumindest eine Tunnelfenster und den elektrischen Kontakt grenzenden Bereich eine leitfähige Schicht und/oder eine Schicht, welche ITO aufweist, angeordnet ist.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode zumindest im Bereich über dem zumindest einen Tunnelfenster für ultraviolettes Licht durchlässig gestaltet ist oder so dünn gestaltet ist, dass sie für ultraviolettes Licht durchlässig ist.
Trägerwafer, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat zumindest im an das zumindest eine Tunnelfenster grenzenden Bereich zwischen Ober- und Unterseite für ultraviolettes Licht transparent oder durchlässig ist.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Quarz und/oder ITO aufweist und/oder im leitfähigen Bereich ITO aufweist.
Trägerwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode und/oder die erste Schichtfolge und/oder die zweite Schichtfolge und/oder das Substrat für ultraviolettes Licht undurchlässig ist.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Silizium, Glas, Quarz, Germanium, Galliumarsenid, Keramik, Kunststoff und/oder einen III/V-Halbleiter aufweist oder daraus besteht.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektrode ein Metall, beispielsweise Aluminium, Wolfram, Titan, Titan-Nitrid (TiN) aufweist oder daraus besteht.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektrode Polysilizium und/oder amorphes Silizium und/oder ITO aufweist oder daraus besteht.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtfolge ein thermisches Oxid, CVD-Oxid und/oder ein anderes Oxid aufweist oder daraus besteht.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schichtfolge CVD-Oxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder ein anderes Oxid aufweist oder daraus besteht.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Schichtfolge im Bereich des zumindest einen Tunnelfensters über 10 nm und/oder unter 100 nm liegt.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des zumindest einen Tunnelfensters über 1 μm² und/oder unter 100 μm² beträgt.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Schichtfolge im Bereich außerhalb des Tunnelfensters über 500 nm und/oder unter 5000 nm, vorzugsweise 1000 nm beträgt.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer angelegten Spannung von über 100 Volt und/oder unter 2000 Volt, vorzugsweise von über 500 Volt und/oder unter 1500 Volt, vorzugsweise von über 700 Volt und/oder unter 1300 Volt Elektronen durch das Tunnelfenster hindurch tunneln.
Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Schichtfolge zwei flächige Elektroden mit zum Substrat paralleler Fläche angeordnet sind und dass die erste Schichtfolge zumindest zwei Tunnelfenster aufweist, wobei jede Elektrode auf zumindest einem der zumindest zwei Tunnelfenster angeordnet ist.
Anordnung zur Halterung eines scheibenförmigen Bauteils mit einem Trägerwafer nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie dem scheibenförmigen Bauteil.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil eine Folie, ein zu bearbeitender Nutzwafer, mindestens ein Halbleiterbauteil oder mindestens ein Chip ist.
Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenz durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Substrat und dem scheibenförmigen Bauteil erzeugbar ist.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil über Nadeln kontaktiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität von Substrat und Elektrode gleich der Kapazität von Elektrode und scheibenförmigen Bauteil ist oder sich um weniger als den Faktor 10 unterscheidet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des scheibenförmigen Bauteils Si, einen III-V Halbleiter, AlGaAsP, Ge, GaAs, SiC, InP und/oder InGaAs oder Folie, beispielsweise Kunststofffolie enthält oder daraus besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Dicke des Trägerwafers und der Dicke des scheibenförmigen Bauteils innerhalb des für Wafer mit einem Durchmesser entsprechend demjenigen des Trägerwafers vorgeschriebenen Dickentoleranzbereichs liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Waferanordnung eine ebene, flache Platte ausbildet ist, deren Durchmesser in der Ebene der ersten Oberfläche wesentlich größer ist als deren Ausdehnung senkrecht zur ersten Oberfläche bzw. als deren Dicke.
Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil an dem Trägerwafer elektrostatisch fixiert ist.
Verfahren zum elektrostatischen Halten eines scheibenförmigen Bauteils auf einem Trägerwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil auf dem Trägerwafer aufgebracht wird und eine elektrische Spannung so angelegt wird, dass Elektronen durch das mindestens eine Tunnelfenster hindurch tunneln.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen dem scheibenförmigen Bauteil und dem Substrat angelegt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil auch ohne angelegte Spannung für die Dauer einer Bearbeitung des Bauteils, vorzugsweise für länger als 30 Minuten, vorzugsweise für länger als 2 Stunden, vorzugsweise für länger als 1 Tag gehalten wird.
Verfahren zum Lösen eines scheibenförmigen Bauteils aus einer Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung zur Entladung der mindestens einen Elektrode über das mindestens eine Tunnelfenster angelegt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen dem scheibenförmigen Bauteil und dem Substrat angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das zumindest eine Tunnelfenster fließende Strom erhöht wird, indem das Tunnelfenster mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung von über 100 Volt und/oder unter 2000 Volt, vor zugsweise von über 500 Volt und/oder unter 1500 Volt, vorzugsweise von über 700 Volt und/oder unter 1300 Volt angelegt wird.